Эффект Смита-Перселла

Эффект Смита-Перселла был предшественником лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Он был изучен Стивом Смитом, аспирантом под руководством Эдварда Перселла . В своем эксперименте они послали энергичный пучок электронов очень близко параллельно поверхности линейчатой ​​оптической дифракционной решетки и тем самым сгенерировали видимый свет . ^[1] Смит показал, что существует незначительное влияние на траекторию индуцирующих электронов. По сути, это форма излучения Черенкова , где фазовая скорость света была изменена периодической решеткой. Однако, в отличие от излучения Черенкова, не существует минимальной или пороговой скорости частиц.

Излучение Смита-Перселла особенно привлекательно для приложений, включающих неразрушающую диагностику пучка (например, диагностика длины пучка в ускорителях) и особенно как жизнеспособный источник терагерцового излучения , который имеет еще более широкий спектр применения в разнообразных и высокоэффективных областях, таких как материаловедение, биотехнология, безопасность и связь, производство и медицина. Работа на терагерцовых частотах также позволяет реализовать потенциально большие ускоряющие градиенты (~10 с ГэВ/м ^[2] ). Это, в сочетании с разрабатываемыми методами ускорения плазменно-кильвационного поля и технологией линейных ускорителей (ЛУ), может проложить путь к следующему поколению, компактным (и, следовательно, более дешевым), менее подверженным радиочастотному пробою (пределы тока для поверхностных полей E составляют порядка 10 с-100 МВ/м ^[3] ), линейным ускорителям с высокой выходной энергией.

Фон

Заряженные частицы обычно излучают/генерируют излучение посредством двух различных механизмов:

1. Ускорение или изменение направления движения: например, тормозное излучение (например, в рентгеновских трубках ), синхротронное излучение (как в ЛСЭ из-за прохождения электронных пучков через установки виглера / ондулятора или механизм потери энергии пучка в кольцевых коллайдерах ).
2. Поляризация: Движущийся заряд имеет динамическое кулоновское поле . Для проводящего/ поляризующегося материала взаимодействие между этим полем и зарядами в материале/среде может генерировать излучение. Это включает черенковское и переходное излучение , когда частица движется внутри среды, которая генерирует излучение, а также дифракционное излучение ^[4] , когда (обычно релятивистские) частицы движутся вблизи целевого материала, генерируя, например, оптическое дифракционное излучение (ODR) ^[5] и излучение Смита-Перселла (SPR).

Преимущество использования поляризационного излучения, в частности, заключается в отсутствии прямого воздействия на исходный пучок; пучок, вызывающий радиационное излучение, может продолжать свой исходный путь неизменным и индуцировать электромагнитное излучение. Это отличается от тормозного или синхротронного эффектов, которые фактически изменяют или изгибают входящий пучок. Благодаря этой неразрушающей особенности SPR стал интересной перспективой для диагностики пучка, также предлагая возможность надежных технологий из-за теоретически отсутствия контактных или рассеивающих взаимодействий между пучком и целью.

Эффект Смита-Перселла

Дисперсионное соотношение

Когда заряженная частица движется над периодической решеткой (или периодической неоднородностью среды), на поверхности решетки индуцируется ток. Этот индуцированный ток затем испускает излучение на разрывах решетки из-за рассеяния кулоновского поля индуцированных зарядов на границах решетки. Дисперсионное соотношение для эффекта Смита-Перселла (SPE) задается следующим образом: ^[6]

${\displaystyle \lambda ={\frac {L}{n}}\left({\frac {1}{\beta }}-\cos {\theta }\right)}$,

где длина волны наблюдается под углом к ​​направлению электронного пучка для режима отражения порядка, а - период решетки, а - относительная скорость электронов ( ). Это соотношение можно вывести, рассматривая законы сохранения энергии и импульса. ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle n^{th}}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle v/c}$

Ссылки

1. Смит С.Дж., Перселл Э.М. (1953-11-15). "Видимый свет от локализованных поверхностных зарядов, движущихся по решетке". Physical Review . 92 (4): 1069. doi :10.1103/PhysRev.92.1069. ISSN  0031-899X.
2. Нанни Э.А., Хуанг В.Р., Хонг К.Х., Рави К., Фаллахи А., Мориена Г. и др. (октябрь 2015 г.). «Линейное ускорение электронов с помощью терагерцового диапазона». Природные коммуникации . 6 (1): 8486. doi : 10.1038/ncomms9486. ПМК 4600735 . ПМИД  26439410. 
3. Яцевич, М.; Циманн, В.; Экелёф, Т.; Дубровский, А.; Рубер, Р. (2016-08-21). «Спектрометры для исследований пробоя ВЧ для CLIC». Ядерные приборы и методы в исследованиях физики. Раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 828 : 63–71. doi : 10.1016/j.nima.2016.05.031 . ISSN  0168-9002.
4. Карловец, ДВ; Потылицын, А.П. (2008). «К теории дифракционного излучения». Атомы, молекулы, оптика . 107 (5): 755–768. doi :10.1134/s1063776108110058. S2CID  121821580.
5. Фиорито, Р. Б.; Шкварунец, АГ; Ватанабе, Т.; Якименко, В.; Снайдер, Д. (2006-05-24). "Интерференция дифракционного и переходного излучения и ее применение в качестве диагностики расходимости пучка". Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams . 9 (5): 052802. arXiv : physics/0605110 . doi : 10.1103/PhysRevSTAB.9.052802 . ISSN  1098-4402.
6. Andrews HL, Boulware CH, Brau CA, Jarvis JD (2005-05-20). "Дисперсия и затухание в лазере на свободных электронах Смита–Перселла". Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams . 8 (5): 050703. doi : 10.1103/PhysRevSTAB.8.050703 . ISSN  1098-4402.